Екологічна оцінка якості поверхневих вод

За сольовим складом, трофо-сапробіоло гічними показниками, спеціальними показниками токсичної радіаційної дії

А — сольовий склад Б — трофо-сапробіологічні показники В — специфічні показники

І А’¹ Б-¹В — блокові індекси І£ — інтегральний індекс

За інтегральним

екологічним індексом (згідно з класами якості води

)

Умовве позна­ чення	Клас якості вод	Категорія якості вод	Характе­ристика вод за якістю		Умовне позначеная	Характерне* тика вод за якістю
	І	1	відмінні			відмінна
СГЗ	II	2	дуже добрі			добра
тЯШ		3	добрі
	III	4	задовільні			задовільна
тШ		5	посередні
	IV	6	погані			погана
■■■	V	7	дуже погані			дуже погана
	дані відсутні					дані відсутні

П

А — сольовий Б — трофо-сапробіологічні показники склад ^ _ _дависл| речовини 13 — ХПК

1. — Сума йонів 5 — рН

— хлориди 6 — азот амонійний

— сульфати 7 — азот нітритний

оказники якості поверхневих вод

В — специфічні показники токсичної і радіаційної дії

14. — БПК₅ 19 ~ мідь 27 — нафто-

15. — біомаса 20 — цинк продукти

фітопланктону 21 залізо 28 феноли

8. — азот нітратний 16 — індекс сапробності 22 — марганець 29 — СПАР

9. —

   30. — сумарна

р-активність

30. —стронцій-90

31. — цезій-137

фосфор фосфатів 17 — чисельність 23 — хром

— розчинений кисень бактеріо- 24 — нікель

— ступінь насичення планктону 25 — ртуть

киснем 18 — чисельність 26 —свинець

8. — перманганатна сапрофітних

окисність бактері

й

Рис. 4.2. Приклад зображення на карті результатів екологічної оцінки якості воду пунктах спостереження і контролювання

Екологічна оцінка якості води може бути зображена на карті для всього водного об’єкта (вздовж всього водо- току чи на всій площі водойми) або ж стосовно конкрет­них пунктів контролю за допомогою відповідних позна­чок. Останній спосіб при обмеженому обсязі інформації коректніший.

Інтегральні показники оцінки якості води. На прак­тиці для оцінки якості поверхневих вод широко застосо­вують інтегральні показники, які дають змогу одержу­вати повну характеристику процесів, що відбуваються у водному середовищі. Систему інтегральних показників формують три групи: показники навантаження, які оці­нюють навантаження потоку за середньою концентраці­єю забруднюючої речовини в його поперечному перері­зі; показники просторового розподілу забруднення в річках та водоймах; показники, що враховують зовніш­ній водообмін водоймищ. На практиці широко викорис­товуються показники перших двох груп.

До показників загального навантаження (першої Групи) забруднюючими речовинами належать:

• абсолютний показник загального навантаження. Загальне навантаження потоку консервативними речо­винами або сумою речовин виражається концентрацією С„ цих речовин, які визначаються з умов балансу речо­вини (формула (а) 4.4). Величина С„ у створі повного змі­шування виражає дійсне значення концентрації забруд­нюючого інгредієнта; для створів, які розміщені між місцем скиду стічних вод і створом повного змішування, величина умовно характеризує середню концентрацію.

Якщо у воді річки концентрація забруднюючої речо­вини С_р = 0, то

с„= (Qcm C_cm)/(Q_P + Q_cm), мг/л. (4.12)

Показник С_р дає змогу одержати повну характерис­тику навантаження потоку забруднюючими речовина­ми протягом будь-якого проміжку часу;

• показники перевищення або неперевищення за­бруднення відносно норми. Показник перевищення за­бруднення Р_заб над нормою виражається забезпеченістю стоку забрудненої води в певному створі. Його забезпе­ченість обчислюють за кількістю днів, протягом яких Через створ проходить забруднений потік. Для визна­чення Р_заб зручно користуватися графічним способом. “УДУється крива забезпеченості С„ і проводиться пряма, яка відповідає ГДК забруднюючої речовини. Точку на перетині кривої С^(Р) з прямою ГДК характеризує Р_заб, тобто перевищення середньої концентрації речови­ни над нормованою.

Показник неперевищення забрудненості відносно норми Р_чист, який характеризує забезпеченість «чисто­го» стоку, обчислюють за формулою:

Р_чис_т=100-Р_заб. (4.13)

Це показники відносного та гранично допустимого навантаження потоку забруднюючими речовинами. По­казник відносного навантаження потоку певною за­бруднюючою речовиною визначають шляхом зіставлен­ня розрахункового значення С„ з гранично допустимою концентрацією речовини. При цьому можливі два ви­падки: С„ > ГДК (вода брудна), С_п < ГДК (вода чиста). Підставивши ці нерівності у формулу (а) та перетворив­ши їх, можна отримати:

(С_ст ~ с_гдк) я_ст / (С_гдк - С_р) Я_Р >< 1. (4.14)

Ліву частину нерівності позначають через f:

г = (С_ст - С_гак)Я_ст / (С_гдк - Ср)Я_р. (4.15)

Показник ф називають показником відносного наван­таження потоку забруднюючою речовиною. При ф > 1 — вода брудна, при ф < 1 — вода чиста, при ф = 1 — вода відповідає граничним умовам навантаження водойми­ща забруднюючою речовиною.

До другої групи належать показники просторового розподілу забруднення в річках та водоймах. Внаслідок скиду стічних вод у ріки та водоймища біля водних об’єктів формуються зони забруднення, розміри яких змінюються залежно від режимних характеристик пото­ку (рівня, швидкості течії), а також у зв’язку з змінами скиду стічних вод. Для оцінки забрудненості водного об’єкта використовують відносні розміри зон забруднен­ня (лінійні розміри, площа, об’єм) та характеристику їх зміни. Показники цієї групи розраховують на основі да­них детальних натурних досліджень локальних зон за­бруднення або за даними теоретичних розрахунків цих зон. Виокремлюють такі відносні показники забруднен­ня: лінійні (Я_зав); площі (г]_заб) та об’єму (іл_заб).

Для характеристики лінійних розмірів зон забруд­нення розраховують два відносних показники: Ш_заб,

№_заб, які показують відношення найбільшої лінійної довжини зони забруднення (Ь_заб) до певної характерної глибини (Л) або ширини водного об’єкта (£>):

^?

(4.16)

(4.17)

й₃аб І-'заб/Ь)

де Ь_заб — відстань від місця випуску стічних вод до ство­ру, де концентрація лімітуючої речовини дорівнює ГДК; Л, Ь — середні значення глибини та ширини ділян­ки, що розглядається.

Для водойм показник ХЬ_заб не визначають.

Показники відносної площі зони забруднення (г]_заб) та відносного об’єму області забруднення (/л_заб) визнача­ють за формулами:

( 4.18)

(4.19)

де £2_заб, У?_за6 — площа та об’єм забруднення, розраховані або виміряні за певними гідрологічними умовами; О_заг, ^заг ~ загальна площа та об’єм води ділянки, що роз­глядається за тих самих умов.

Показники цієї групи можуть бути розраховані для певних середніх умов (наприклад, при <3₅₀%), для най­більш несприятливих умов (<3₉₅%). Використання показ­ників групи дає змогу оцінити зміну санітарного стану під впливом визначальних факторів — змін основних гідрологічних характеристик.

Методи прогнозування якості води. Прогнозуван­ня якості та кількості води у ріці або водоймищі є завер­шальним етапом моніторингу. Воно полягає у виявлен­ні ймовірних напрямів і результатів розвитку явищ і процесів, оцінці показників, що характеризуватимуть їх у більше або менше віддаленому майбутньому.

Відповідно до темпів розвитку прогнозованого явища та господарського планування, прогнози поділяються на: оперативні — до 3 місяців; короткострокові — до 1 року; середньострокові — 1 — 5 років; довгострокові — 5 — 20 років; понаддовгострокові — більше ніж на 20 років.

При виконанні прогнозу передусім необхідно вста­новити період завчасності, вибрати водні об’єкти та створи, показники якості води та метод прогнозування. Період завчасності прогнозування залежить від мети прогнозу. Із завчасністю пов’язана точність прогнозу­

вання, яка зменшується прямо пропорційно квадрату завчасності. Дані оперативного прогнозу точніші, дов­гострокового — мають імовірнісний характер.

Завданням прогнозування є виявлення і прогнозу­вання незадовільного стану якості води при зміні гідро­метеорологічних умов і аварійних скидах стічних вод. Головною метою прогнозу є завчасне передбачення кон­центрацій забруднюючої речовини у певному створі чи ділянці річки у вказаний момент часу. Одночасно мож­на спрогнозувати довжину забрудненої ділянки річки, час добігання забруднених водних мас від місця надхо­дження до контрольного створу, розрахувати відстань до створу повного змішування. Такі прогнози склада­ють для створів практично повного змішування стічних і річкових вод, а також для створів водокористування, якщо вони розміщені у зоні впливу стічних вод чи на ді­лянці проходження паводка.

Найчастіше для прогнозування застосовують методи екстраполяції та методи моделювання.

Метод екстраполяції оснований на припущенні про збереження в часі тенденції розвитку процесів, які від­буваються у водних об’єктах в період їх вивчення. За використання цього методу період спостережень має бу­ти довготривалим (не менше, ніж у три рази більшим від прогнозованого періоду), охоплювати багатоводні та маловодні періоди стоку, а характер зміни якості та кіль­кості стоку повинен мати стаціонарний і односпрямова- ний режим. При стрибкоподібних змінах антропогенного навантаження на водний об’єкт екстраполяційний метод практично не використовують. Найдостовірніші прогно­зи за цим методом одержують при екстраполяції інтег­ральних кривих зміни кількості стоку під впливом ста­більної господарської діяльності.

Метод моделювання ґрунтується на математичному описі або фізичному дослідженні гідродинамічних, фі- зико-хімічних та інших процесів, які відбуваються у во­доймищі або водотоці та враховують закономірності зміни стану водного об’єкта із зміною основних факто­рів, що визначають цей стан.

Математичні моделі якості води базуються на дифе­ренціальних рівняннях з частковими похідними. За їх допомогою можна моделювати умови формування якос­ті та кількості води — імітаційні моделі. Моделювання оптимальних умов стану водного об’єкта з урахуванням навантаження стічними водами проводиться за допомо­гою оптимізаційних моделей.

Моделі будуються для коротко- і довгострокових прогнозів. При виробленні короткострокових оператив­них прогнозів варто застосовувати методи розрахунків, які використовують коефіцієнт дисперсії та неконсер- вативності, та такі, що дають змогу визначати поле роз­поділу забруднюючих речовин при скиді стічних вод. За довгострокового прогнозування якості води можна ви­користовувати балансові методи розрахунку, які врахо­вують як витрату стічних вод та водного об’єкта, так і концентрацію забруднюючих речовин.

На вибір математичних моделей для прогнозування якості води впливають наявність вихідних даних та зав­дання розрахунку. Моделі якості води повинні бути простими в практичному використанні, характеризува­тися універсальністю та давати достатньо надійні ре­зультати.

Отже, господарська діяльність людського суспіль­ства, яка зростає з кожним роком, призводить до висна­ження і забруднення поверхневих вод, порушення їх гідрологічного і гідрохімічного режимів. Тому моніто­ринг поверхневих вод передбачає контролювання, спо­стереження, оцінювання та прогнозування стану вод­них об’єктів на майбутнє з метою вивчення динаміки зміни якості води, закономірностей процесів самоочи­щення, визначення критичних ситуацій. Цей вид моні­торингу поширився як складова в системі державного моніторингу і активно застосовується при дослідженні стану поверхневих вод. На основі отриманої інформації розробляють управлінські рішення для регулювання якості водних ресурсів, їх охорони і раціонального ви­користання.

Запитання. Завдання

1. Що таке водні ресурси і яка їх роль в природі та житті людини? Проаналізуйте сучасний стан поверхневих вод України.

2. Охарактеризуйте основні джерела забруднення поверхневих вод.

3. З'ясуйте сутність і основні завдання моніторингу поверхневих вод.

4. Що є основною метою налагодження системи спостережень та контролю за рівнем забруднення водних об’єктів?

5. Якими нормативними документами регулюється робота основ­них суб’єктів моніторингу природних вод?

6. Які вимоги висуваються до мережі моніторингу якості повер­хневих вод?

7. Визначте відмінності між пунктами спостережень різних кате­горій і правила розташування контрольних створів. Від чого залежать вибір програми спостережень та строки відбору проб?

8. За якими показниками проводять гідрологічні, гідрохімічні спостереження?

9. Проаналізуйте спільні і відмінні ознаки обов’язкової, скоро- ченої-1, скороченої-2, скороченої-3 програм спостережень за гідро­логічними та гідрохімічними показниками.

10. Як доцільно проводити спостереження для отримання повної і всебічної інформації про стан водних об’єктів? Відповідь обгрунтуй­те прикладами.

11. Що таке зообентос, перифітон, зоопланктон та фітопланктон?

12. Охарактеризуйте повну і скорочену програми спостережень за гідробіологічними показниками.

13. Які методи і технічні засоби застосовують для оперативного контролю якості природних вод?

14. Які показники оцінки якості води використовуються при ви­значенні стану водного об’єкта, що перебуває під впливом антропо­генної дії?5.

Моніторинг Світового океану

Світовий океан, який покриває більшу частину по­верхні Землі, відіграє виняткову роль у забезпеченні життя на ній, формуванні погоди та клімату. Океани залучені до процесів глобального характеру: взаємодій води і атмосфери, які визначають клімат; біохімічних циклів хімічних елементів, що тісно пов’язані з цирку­ляцією речовин і енергії у природних екосистемах; фо­тосинтетичної активності водоростей, яка регулює баланс кисню та вуглекислого газу. Океани є джерелом забезпечення продуктами харчування та енергією, ко­рисними копалинами.

Сучасний Світовий океан зазнає значного антропо­генного впливу, який призводить до негативних наслід­ків, зокрема до зменшення обсягів відтворювання біоло­гічних ресурсів. У деяких його областях виникла напру­жена екологічна ситуація, утворилися поля хронічного забруднення. Надходження забруднюючих речовин ан­тропогенного походження, активне вилучення біологіч­них ресурсів (риби і морепродуктів виловлюють більше 70 млн. т на рік) стали постійно діючими екологічни­ми факторами, які деформують морські екосистеми. Останнім часом видобуток корисних копалин посилює негативний вплив на океан. Тому спостереження за екологічним станом Світового океану з метою розроб­лення ефективних заходів зі збереження цієї екосисте­ми з кожним роком стають усе необхіднішими.

1. Джерела і види забруднення океану

Забруднюючі речовини надходять до Світового океа­ну як природним шляхом, так і внаслідок господарської діяльності людини. Ці види забруднень тісно взаємо­пов’язані, тобто антропогенні можуть посилювати при­родні небезпечні явища і навпаки.

До джерел природного забруднення океанів та морів належать:

• річковий стік;

• прямий стік із суші (теригенний стік);

• перенесення забруднюючих речовин через атмо­сферу.

Джерелами антропогенного забруднення Світового океану є:

• безпосередні скиди забруднюючих речовин в оке­ан (переважно на його поверхню), зокрема нафтопродук­тів при перевезенні, особливо у разі аварій танкерів;

• безпосереднє надходження забруднюючих речо­вин при підводних розробках та видобуванні мінераль­них ресурсів;

• підводні викиди нафти та газу;

• аварійні викиди із суден або підводних трубопро­водів;

• випробовування атомної зброї.

Сучасні дослідження забруднення Світового океану свідчать, що річковий і теригенний стоки, а також атмо­сферне перенесення є основними джерелами забруднення.

У процесі річкового виносу і стоку із суші забрудню­ються переважно прибережні води океану, внутрішніх морів, заток. В антропогенній складовій теригенного і річкового стоків переважають забруднюючі речовини, які містяться в промислових та комунальних водах, а також у змивах із сільськогосподарських угідь: важкі метали, біогенні сполуки, пестициди та нафтопродукти. У поверхневих водах, які надходять до Світового океа­ну, обсяг антропогенного стоку переважно збігається з природним потоком хімічних елементів і їх з’єднань або навіть перевищує його.

На основі аналізу отриманих матеріалів моніторин­гу океанів з’ясовано, що основними видами забрудню­вачів стають вуглеводи (сира нафта, нафтопродукти, нафтові вуглеводи); хлоровані вуглеводи (пестициди, поліхлоровані біфеніли); токсичні метали; радіоактивні речовини.

Наймасштабнішим є забруднення Світового океану нафтою та нафтопродуктами. Поля забруднення нафто­вими вуглеводами формуються в шельфових водах, у районах перевезення нафти, інтенсивного судноплав­ства і аварій танкерів (табл. 5.1).

Таблиця 5.1 Забруднення океану внаслідок найбільших аварій нафтових танкерів Рік	Назва танкера	Місце аварії	Кількість нафти, що вилилася в море, тис. т
1967	«Торі каньйон»	Мис Корнуелл, Англія	123
1976	«Уркіоло»	Узбережжя Іспанії	100
1978	♦Амоко Кадіс»	Узбережжя Франції	200
1990	«Екссон Валдіс»	Узбережжя Аляски	40

За даними космічного моніторингу, приблизно чверть Світового океану вкрито тонкою плівкою нафти або за­бруднено нафтою і нафтопродуктами. Нафтовою плівкою найбільше вкрита північна тропічна, центральна суб­тропічна та Канарські водні маси. Нафтопродукти трап­ляються в усіх районах безпосереднього забруднення й у відкритих районах океанів. Залежно від умов середо­вища та типу нафти нафтові плівки зберігаються на по­верхні від кількох годин до кількох днів, нафтопродук­ти — від кількох місяців до року.

У водах океанів найчастіше наявні такі хлоровані вуглеводні, як дихлордифенілтрихлоретан (ДДТ) та йо­го похідні гексахлорциклогексан (у-ГХЦГ), поліхлорбі- феніли (ПХБ). Розподіл хлорорганічних пестицидів в океані нерівномірний: чергуються зони підвищених, низьких та нульових концентрацій. Локальні ділянки зберігаються не тільки в зонах безпосереднього забруд­нення, а й у відкритих районах океану, що пояснюється атмосферним перенесенням і динамічним розсіюван­ням. Хлорорганічні пестициди проникають і в глибину океану. При цьому вміст їх у шарі 0—100 м однорідний, а на глибині 500 м зменшується удвічі. У глибинних во­дах найпоширеніший ДДТ.

Концентрація синтетичних поверхнево активних речовин (СПАР) в океанах у середньому становить 27—30 мкг/л у поверхневому шарі та 8—9 мкг/л на гли­бині 500 м. Просторовий розподіл СПАР характеризуєть­ся локалізацією полів забруднення (більше 100 мкг/л) у шельфових зонах Північної Америки, Західної Європи та Африки. У відкритому океані їх вміст знижується до 20—ЗО мкг/л і відзначається нерівномірністю розподі­лу в акваторії. У глибинних водах прослідковується зменшення вмісту СПАР.

Важкі метали належать до найпоширеніших і дуже токсичних речовин. Для морських екосистем особливо небезпечними є ртуть, свинець, кадмій. Надходячи до морського середовища, ртуть з’єднується із зваженими речовинами, органічними агрегатами й осідає на дно. У донних відкладеннях під дією деяких форм мікроорга­нізмів вона переходить у високотоксичні форми мети- лованої ртуті, період напіврозпаду якої досягає двох років. Для ртуті характерна глибинно-поверхнева міг­рація. Забруднення морської води цією речовиною об­межується прибережними зонами та шельфами. Мігра­ційний потік свинцю з континентів в океан приходить із річковим стоком і через атмосферу. У морських при­бережних водах Північної півкулі середня концентра­ція свинцю становить 0,07 мкг/л, переважно він пере­буває в шарі 0—500 м. Концентрація кадмію у водах Світового океану коливається від 0,03 до 0,3 мкг/л при середньому значенні 0,15 мкг/л.

Океану притаманна природна радіоактивність, спри­чинена присутністю в морській воді ⁴⁰К (зумовлює 90 % природної радіоактивності, що становить 18,5 • 10²¹ Бк), ⁸⁷Ш>, ³Н, ¹⁴С, ізотопів урану та торію. Однак найбільш небезпечними є штучні радіонукліди: стронцій, плуто­ній, цезій. Сума радіоактивності, збільшена діяльніс­тю людини, сьогодні досягає 5,5 • 10¹⁹ Бк. Радіоактив­ні речовини в океан надходять з таких джерел: випро­бування ядерної зброї; скид радіоактивних відходів; аварії суден з атомними двигунами і аварії, пов’язані з використанням, транспортуванням та одержанням ра­діонуклідів. Вертикальний розподіл радіонуклідів в океані має складні особливості. Мінімальна концен­трація стронцію, цезію та плутонію спостерігається в поверхневому шарі, максимальна — на глибині 100—700 м.

Отже, води Світового океану забруднюються різно­манітними шкідливими речовинами антропогенного походження, які мають різні масштаби поширення (табл. 5.2).

Забруднюючі речовини	Ступінь біологічної небезпеки	Масштаб поширення
Радіонукліди	+ +	Глобальний
Стронцій-90	+ +	Глобальний
Цезій-137	+ +	Глобальний
Плутоній-238	+ +	Глобальний
Тритій	+ +	Глобальний
Церій-144	+ +	Глобальний
Хлорорганічні токсичні:
ДЦТ та його метаболіти	+ +	Глобальний
поліхлоровані біфеніли	+ +	Глобальний
Альдрин	+ +	Глобальний
Метали:
Метилртуть	+ +	Глобальний
Кадмій	(+)	Глобальний
Ртуть	+ +	Глобальний
Свинець	(+)	Глобальний
Цинк	+	Локальний
Мідь	+	Регіональний
Хром	(+)	Локальний
Залізо	(-)	Локальний
Марганець	(-)	Локальний
Миш’як	(+)	Регіональний
Нафта та нафтопродукти	+	Глобальний

Таблиця 5.2